在聚變研究領域，控制等離子體密度、溫度和加熱對于提高反應堆性能至關重要。有效約束等離子體粒子和熱量，尤其是在發(fā)生聚變的核心處保持度和高溫度至關重要。在大型螺旋裝置 (LHD) *1中，挑戰(zhàn)依然存在，因為電子密度分布通常保持平坦甚至在中心處下降，這使得維持高中心密度的努力變得復雜。
結果
LHD 配備五個中性束 (NB) 注入器*3，用于等離子體加熱。注入器 NB#1 至 NB#3 以切向方式輸送光束，而 NB#4 和 NB#5 則以垂直方式注入光束(見圖 1)。盡管切向和垂直注入之間的功率比有所不同，但離子溫度分布保持不變。然而，圖 2 顯示了峰值(紅色和綠色)和平坦(藍色)電子密度分布的存在。
調(diào)整切向與垂直高能離子的比率會使速度分布*4從各向同性變?yōu)楦飨虍愋浴Ｎ覀兺ㄟ^分析 NB#1 - NB#5 注入束功率的垂直和平行分量中儲存的能量比率(表示為 En⊥/En||)，探索了密度分布如何取決于這些高能離子的狀態(tài)*5(參見圖 3)。在 En ⊥ / En || = 0.3 至 0.8 范圍內(nèi)修改各向異性，結果表明 En ⊥ /En || < 0.4 導致平坦的電子密度分布，而 En ⊥ /En || > 0.4 導致中心峰值電子密度分布。隨后，通過外部注入碳并觀察離子行為來檢查碳離子的密度分布。在常規(guī)實驗范圍 En ⊥ /En ||內(nèi)，分布中心凹陷< 0.4，但在新的實驗范圍內(nèi)達到峰值，其中 En ⊥ /En || > 0.4。
這些發(fā)現(xiàn)表明，等離子體的流入/流出速率會隨著高能離子的存在而自發(fā)改變。使用模擬計算對高能離子的影響進行了進一步研究。首先，我們分析了等離子體核心徑向的電場，模擬值為 -5 kV/m，與重離子束探測器*6(圖 1 中所示的 HIBP)的測量值一致。雖然這種強度的電場不太可能對粒子流產(chǎn)生重大影響，但對湍流引起的粒子流入和流出進行了進一步分析*7。結果表明，湍流可能會影響峰值和平坦密度分布。
研究成果的意義及未來發(fā)展
此項發(fā)現(xiàn)闡明了利用高能離子的各向異性可以有效調(diào)節(jié)聚變等離子體約束區(qū)內(nèi)粒子流入和流出的方向和體積，從而使等離子體保持最佳狀態(tài)。未來必須明確其背后的新物理機制。然后我們將進一步開展研究，為提高聚變反應堆等離子體的性能、縮小聚變反應堆的尺寸、提高能量輸出以及控制等離子體燃燒條件做出貢獻。
[詞匯表]
*1 大型螺旋裝置(LHD)：LHD 是世界上最大的螺旋超導等離子體實驗裝置之一，位于日本岐阜縣土岐市的國家聚變科學研究所。
*2 高能離子：這些離子是在等離子體溫度達到約 1 億度的環(huán)境中由加熱光束產(chǎn)生的，其能量比周圍環(huán)境高出約 10 至 20 倍。
*3 中性束注入加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)使用高能、電中性的氫束加熱由電子和離子組成的等離子體。注入時，光束與等離子體粒子碰撞，有效提高等離子體溫度。
*4 速度分布：等離子體由帶正電和負電的粒子組成。這些受磁場約束的粒子在沿磁場線旋轉時表現(xiàn)出獨特的運動，在平行和垂直于磁場線的方向上的運動有所不同。當粒子速度在給定空間位置處平行和垂直于磁場線都是均勻的時，等離子體內(nèi)的速度分布被稱為各向同性。相反，當使用切向排列的中性束注入器 NB#1 至 NB#3 時，它們會誘導出一組速度與磁場線平行的粒子，如圖 (b) 所示，這種分布被稱為各向異性。相反，當激活垂直排列的 NB#4 和 NB#5 時，它們會產(chǎn)生一組速度與磁場線垂直的粒子，如圖 (c) 所示。
*5 高能離子狀態(tài)：通過調(diào)整粒子速度與磁場線垂直和平行的分布比例，離子可以在各向同性和各向異性狀態(tài)之間切換。本實驗重點關注改變各向異性狀態(tài)。
*6 重離子束探測器(HIBP)：HIBP采用金離子束，用于測量等離子體內(nèi)的電位，提供關鍵的診斷信息。
*7 湍流：在等離子體密度和溫度不均勻的情況下，會產(chǎn)生湍流。這會導致等離子體波的增長，從而形成流動和渦流，通常在高溫下表現(xiàn)為不規(guī)則和湍流運動。
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